2001년 Anne Salomon의 대학원생 첫 주는 그녀가 예상했던 것과는 달랐습니다. 다른 신입생들이 입문 강의로 향하는 동안 살로몬은 밴과 모터보트를 타고 워싱턴 올림픽 반도의 북서쪽 끝에 위치한 타투시 섬으로 급히 이동했습니다. 살로몬은 이 외딴 섬의 조수 웅덩이 속에서 바위 위의 생명의 그물, 즉 황토 불가사리, 따개비, 홍합, 달팽이 및 상추, 이끼, 버블랩을 연상시키는 형태를 취하는 다양한 해조류를 관찰했습니다.

파도가 치는 이 노두를 방문하는 것은 Bob Paine 연구실 동료들의 통과 의례였습니다. 수십 년 전, 지렛대로 무장한 페인(Paine)은 처음으로 보라색을 찔렀습니다. 피사스터 생태계의 최고 포식자인 불가사리를 인근 마카 만의 조수 웅덩이에서 꺼내 바다에 던져서 바위에 달라붙는 생물 군집을 조직한 힘이 무엇인지 알아볼 수 있었습니다. 결과는 생태학, 보존 및 자연에 대한 대중의 인식에 깊은 영향을 미칠 것입니다. 불가사리가 사라진 지 15년이 지나면 원래 수영장에 있던 10종의 종이 XNUMX종으로 줄어들었습니다. XNUMX년 후, 홍합 단일 양식이 해안을 지배하게 되었습니다.

XNUMXD덴탈의 페인의 실험 결과, 안으로 간행하는 미국의 자연주의자 1966년에는 단일 종이 생태 공동체에 막대한 영향을 미칠 수 있음을 보여주었습니다. Paine이 자신의 연구 결과를 고생물학 자 및 환경 보호론자와 공유했을 때 에스텔라 레오폴드, 그녀는 강력한 개념이 연상적인 이름을 가질 자격이 있다고 제안했습니다. 후속 논문에서 그는 다음을 지정했습니다. 피사스터 불가사리는 건축학적 종석을 가리키는 "종석 종"입니다. 아치 꼭대기에 있는 쐐기 모양의 돌로 일단 삽입되면 구조가 무너지는 것을 방지합니다. “Bob은 상당히 시적이고 서술적인 마음을 갖고 있었습니다.”라고 말했습니다. 메리 파워, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 명예 교수이자 Paine 밑에서 공부했습니다. (페인은 2016년에 사망했습니다..)

Salomon, Power 및 기타 Paine 학생들은 종석 개념을 개선하고 종의 생태학적 "핵심성"을 수학적으로 정의하는 데 대학원 연구를 바쳤습니다. 그러나 바위 위에 빛나는 불가사리처럼 이 비유는 과학적, 대중적 상상 속에 자리 잡았습니다. 많은 생태학자와 환경 보호론자들은 Paine이 이 용어에 부여한 원래의 의미를 망각하고 모든 중요한 종을 종석으로 낙인찍기 시작했습니다. 실제로 작년에 발표된 분석에 따르면 200종이 넘는 종이 핵심종으로 지정되었습니다. 라벨의 사용이 너무 광범위해져서 일부 생태학자들은 라벨이 모든 의미를 상실했다고 우려합니다.

오늘날 생태학자들은 "핵심 종"이 의미하는 바를 개선하고 보다 분별력 있는 적용을 옹호하기 위해 노력하고 있습니다. 핵심 종을 보다 엄격하게 식별함으로써 정책 입안자들은 생태계에 불균형적인 영향을 미치는 종을 더 잘 식별하고 보호할 수 있다고 그들은 주장합니다. 그리고 미생물 의학의 새로운 응용은 생물학자들이 핵심 종의 영향을 보다 정확하게 정량화하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 생태계뿐만 아니라 인간 건강에도 도움이 될 수 있습니다.

종의 필수성

페인이 지금은 유명해진 실험을 수행하기 수십 년 전에 생태학자들은 서식지를 공유하는 종들이 누가 누구를 잡아먹는지에 대한 피라미드 네트워크로 연결되어 있다는 이론에 집중했습니다. 맨 위에는 작은 포식자나 초식동물을 잡아먹는 희귀한 포식자가 있었는데, 이들은 햇빛과 광합성을 통해 직접 영양을 공급받는 식물이나 조류와 같은 풍부한 '생산자'를 스스로 섭취했습니다. 생태학자들은 웹의 안정성이 생산자의 가용성에 의해 밑에서부터 위로 통제된다고 생각했습니다.

그러나 1960년대에 이르러 그 생각은 바뀌었습니다. 지역 사회도 포식자의 영향을 크게 받을 수 있습니까? 아마도 식물이 생태계를 지배한 것은 생산자가 다른 종을 제한했기 때문이 아니라 포식자가 초식동물이 과도하게 방목되는 것을 막았기 때문일 것입니다. Paine의 실험은 이러한 하향식 제어를 실시간으로 설득력있게 보여준 최초의 실험 중 하나였습니다.

그렇다면 생태학자는 제임스 에스테스 캘리포니아 근해 다시마 숲의 해달이 페인의 조수 웅덩이에 있는 불가사리와 유사한 핵심 역할을 어떻게 수행했는지 기록했습니다. 1974년에 발표된 논문에서 과학, 그는 단일 포식종인 해달이 어떻게 다양성을 구조화했다 다시마 숲 공동체의 일원. 해달은 초식성 성게를 억제했습니다. 포식자가 없으면 성게가 과도하게 방목되어 다시마에 의존하는 종 전체가 멸종되었습니다.

이러한 연구와 핵심 아이디어는 미국의 환경에 대한 인식이 새롭게 떠오르는 순간에 부각되었습니다. 1973년 의회는 멸종위기종법을 통과시켰습니다. 종 중심 접근 방식 야생동물을 보호하기 위해. 단일 종(아마도 종석)의 개체수를 복원한다는 아이디어는 이 새로운 법적 틀에 맞춰 생태 공동체의 생물 다양성을 보장할 수 있습니다.

그 결과, 종석 종 개념은 그 자체로 생명력을 갖게 되었습니다. 과학자들과 환경 보호론자들은 중요하다고 간주되는 모든 종에 이 용어를 점점 더 많이 적용하여 Paine의 원래 아이디어를 잘못 특성화했습니다. 부재로 인해 급격한 낙수 영향을 받은 늑대와 상어와 같은 최상위 포식자는 분명히 종석이었습니다. 비버, 딱따구리, 들소, 프레리도그와 같은 서식지를 바꾸는 생태계 엔지니어도 마찬가지였습니다. 그러나 오래지 않아 종석 초식동물, 종석 식물, 종석 수분매개자, 심지어 종석 병원체에 대한 과학적 언급도 있었습니다. 중요하다고 간주되는 종의 그룹에는 "핵심 길드"라는 라벨이 붙었습니다.

이 용어의 주류 인기가 높아짐에 따라 생태학자들은 생태 네트워크에서 종 노드 간의 관계에 대한 수학적 정의를 조용히 연구했습니다. Tatoosh Island에서 Paine의 학생들은 계속해서 조수 웅덩이를 조사하고 종을 추가하거나 삭제하여 어떤 종이 ​​지역 사회에 가장 중요한지 확인했습니다. 수년에 걸쳐 신중하게 측정한 결과, 그들은 어린 다시마의 뿌리 내리는 능력에 영향을 미치는 각 초식 동물의 상대적인 능력을 정량화했습니다. 이 측정은 Paine에서 "1인당 상호 작용 강도"라고 불렀으며 나중에 "핵심성"으로 알려지게 되었습니다. 유기체의 핵심성이 높은 경우 각 개체는 생태계에 불균형적으로 큰 영향을 미칩니다.

그러나 대부분의 사람들은 이 새로운 생태학적 수학을 따르지 않았습니다. 1990년대에 이르러 일부 생태학자들은 "핵심 종"의 남용이 개념의 의미를 변형시키고 감소시키고 있다는 사실에 경각심을 갖게 되었습니다. 해시 할 시간이었습니다. 1994년 XNUMX월, 합의된 정의를 개발하기 위해 소규모 생태학자 회의가 하와이 힐로에서 열렸습니다. Paine과 Power의 계산에 따라 그들은 "핵심 종은 군집이나 생태계에 미치는 영향이 크고, 그 풍부함으로 인해 예상되는 것보다 훨씬 더 큰 종"이라는 데 동의했습니다.

이 정의에 따르면 연어는 생태학적으로 중요하더라도 종석 종이 아닙니다. Salomon은 “연어 한 마리를 강에서 꺼내도 큰 효과는 없을 것”이라고 말했습니다. 반대로 조간대 덩어리에서 불가사리 한 마리를 떼어낸다면 “큰 효과가 있을 것”입니다.

힐로 컨벤션은 가치 있는 노력이었습니다. 그러나 그것은 이후 수십 년 동안 연구자들이 새로운 종석의 이름을 지정하는 것을 막지 못했습니다. “문제는 연구자들이 연구 유기체를 종석으로 지정하는 데 적용되는 표준이 없다는 것입니다.”라고 말했습니다. 브루스 멘지, Oregon State University의 지역 사회 생태학자이자 또 다른 전 Paine 대학원생입니다. “누구든지 자신의 종이 종석이라고 제안하고 논쟁하고 추측할 수 있습니다.” 실제로 최근 새로운 분석을 통해 이 개념이 얼마나 확장되었는지 밝혀졌습니다.

우리는 모두 여기의 종석입니다

2021년에 Ishana Shukla는 핵심 종의 특성을 분석하려는 빅토리아 대학의 대학원생이었습니다. “저는 구글에 핵심종 목록만 검색하면 멋진 목록이 나올 것이라고 아주 순진하게 생각했습니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그녀는 그것을 찾을 수 없었을 때 자신이 직접 만들어야겠다고 생각했습니다. 그녀는 50개 연구를 포괄하는 157년 이상의 출판 데이터를 조사하여 핵심으로 간주되는 230종을 식별했습니다. 그녀는 생태학적 지식이 발전함에 따라 “종석의 기능이 점점 더 넓어지기 시작했다”고 보았습니다.

그녀와 공동 저자는 항목을 관련 클러스터로 구성하는 분석 기술을 사용하여 다섯 가지 유형의 핵심종을 발견했습니다.: 상어나 늑대와 같은 대형 척추동물 육식동물; 긴 가시 성게와 양배추 나비와 같은 무척추 동물; 도미 물고기와 황소 머리 물고기와 같이 포식성과 먹이감이 모두 있는 중간 종; 북부 새우와 꿀벌과 같은 먹이그물에서 중요한 역할을 수행하는 무척추동물; 얼음쥐와 검은꼬리 프레리도그와 같은 서식지를 변화시키는 작은 포유류도 있습니다.

"우리는 반드시 보존 조치나 보존 관심을 끌 필요는 없는 다양한 핵심 요소를 확인했지만 이것이 우리 생태계에 매우 중요하다는 것을 알 수 있습니다."라고 말했습니다. 슈 클라, 현재 데이비스 캘리포니아 대학교에서 박사 과정을 밟고 있습니다.

"이 논문의 가장 중요한 메시지는 종석 종이 모두 동일하지 않다는 것입니다."라고 말했습니다. 다이앤 스리바스타바브리티시 컬럼비아 대학의 지역사회 생태학자인 그는 코스타리카에서 연구하는 동안 실잠자리 유충을 브로멜리아드 잎 속에 고인 물 속에 있는 종석 종으로 식별했습니다. “핵심 종에 대한 대중의 인식은 그들이 대형 육상 포유류라는 것입니다. 그러나 실제로는 대부분이 그렇지 않습니다. 대부분의 종석 종은 수생입니다. 그들 중 다수는 포식자가 아닙니다. 무척추동물이 많아요.”

그러나 이 논문은 이러한 종이 진정한 수학적 핵심인지 아닌지를 평가하려고 시도하지 않았습니다. 대신, Menge는 Shukla와 그녀의 협력자들은 단지 그 용어가 어떻게 사용되고 오용되었는지 요약했을 뿐이라고 말했습니다. 그런 식으로 연구는 복잡하기보다는 "간접적인 결과를 가져오는 강력한 상호작용자를 지칭하기 위해 '핵심 종'이라는 용어를 계속 자유롭게 사용하는 것"을 강조했다고 그는 말했습니다.

Shukla의 범주에는 미생물이 포함되지 않았습니다. 실제로 페인과 다른 사람들은 실험에서 미생물에 대해 전혀 생각하지 않았습니다. 그러나 핵심성을 정량화하는 것은 의료 미생물학의 새로운 연구 분야의 주제가 되었습니다.

장의 종석

마이크로바이옴에는 복잡한 생태계에서 상호 작용하는 수백에서 수천 개의 미생물 종이 포함됩니다. 그렇다면 왜 종석 종도 있어서는 안됩니까?

"아마도 핵심 종이 존재한다면 시스템은 상당히 취약할 것입니다."라고 말했습니다. 리우 양 유, 브리검 여성병원과 하버드 의과대학에서 미생물군집을 연구하고 있습니다. 예를 들어, 항생제가 장의 핵심 미생물을 죽이면 미생물 생태계가 붕괴되어 건강상의 합병증을 유발할 수 있습니다. “이것이 내가 미생물 군집에서 핵심 종을 식별하는 데 관심이 있는 이유입니다.”라고 그는 말했습니다.

바위에서 불가사리를 뽑는 것처럼 인간의 미생물군집에서 종을 하나씩 제거하는 것은 기술적으로나 윤리적으로 불가능합니다. 대신 Liu와 그의 동료들은 AI로 바뀌었다 지난 11월에 발표된 논문에서 자연 생태 및 진화. 그들은 내장, 구강, 토양 및 산호 미생물 군집 데이터베이스의 데이터를 사용하여 각 종이 모델 미생물 군집에서 제거된 후 군집에 무슨 일이 일어났는지 살펴봄으로써 미생물 군집에서 종의 중요성을 평가하는 딥 러닝 모델을 훈련했습니다. 이는 본질적으로 핵심을 정량화하는 것이었습니다. -각 미생물의 특성.

Liu의 분석에서 "우리는 매우 큰 종석을 가진 종을 찾지 못했습니다"라고 그는 말했습니다. 가장 높은 계산값은 약 0.2였습니다. 1과 0.2 사이의 키스톤 정의에 따르면 "XNUMX는 실제로 큰 숫자가 아닙니다"라고 그는 말했습니다.

그렇다고 미생물 군집에 종석이 없다는 뜻은 아닙니다. Liu는 이러한 공동체가 매우 높은 수준의 기능적 중복성을 가지고 있다고 믿습니다. 즉, 여러 종이 존재한다는 의미입니다. 유사한 생태학적 역할을 수행할 수 있음 따라서 상호 교환이 가능합니다. 그리고 일부 종은 절대적인 의미가 아니라 고도로 개인화된 특정 개인의 미생물군집과 관련하여 높은 핵심성을 가질 수 있습니다. Liu는 “이러한 종을 제거하면 시스템이 많이 바뀔 수 있다는 점에서 매우 중요합니다.”라고 말했습니다.

그런 의미에서 미생물 군집에서 종석 개념은 상황에 따라 다릅니다. 한 미생물군집의 핵심이 다른 미생물군집의 핵심이 아닐 수도 있습니다. Liu는 “나는 이 측면이 생태학자들에 의해 높이 평가되지 않았다고 생각합니다.”라고 말했습니다.

생태학자들은 이제 미생물을 넘어 핵심 종의 맥락적 특성을 다루며 생물 다양성 손실의 현실 속에서 이 개념이 중요한지, 어떻게 중요한지 고민하고 있습니다.

은유 재평가

Menge는 Paine과의 대학원 연구에서 바위 해안에 대한 강조를 계속하면서 생태 공동체 구조를 이해하는 데 경력을 바쳤습니다. 그는 Paine의 상징적인 보라색 별이 모든 곳의 종석 종이 아니라는 것을 발견했습니다. 예를 들어 파도에 더 강렬하게 부딪히는 조수 웅덩이와 같이 일부 장소에서는 더 강한 종석성을 갖습니다. “사실, 좀 더 보호된 곳에서는 불가사리가 전혀 종석이 아닙니다.”라고 그는 말했습니다.

페인도 이를 받아들이게 됐다. 남쪽의 보라색 별들이 선호하는 홍합이 없는 알래스카에서는 포식자가 “그저 또 ​​하나의 바다 별”일 뿐이라고 Power는 Paine이 회상했습니다.

핵심 종이 상황에 따라 다르며 공간과 시간에 따라 다양하다는 사실은 "단기 연구에서는 누락되었습니다"라고 Menge는 말했습니다.

그럼에도 불구하고 Srivastava는 이 개념을 폐기할 준비가 되어 있지 않습니다. 종석과 단일 종에 초점을 맞추다 보니 정책 입안자와 환경 보호론자들이 보존에 대한 보다 전체적인 접근 방식을 방해하게 되었을 수도 있지만, 단일 종을 보호하고 복원하면 때로는 생태계의 다른 많은 종들에게 도움이 될 수도 있습니다. “우리가 핵심 종을 구하기 위해 서두르고 시스템 전체의 다양성을 무시한다는 의미는 아닙니다.”라고 그녀는 말했습니다.

Srivastava는 또한 키스톤이 시스템을 안정화하는 유일한 방법은 아니라는 점을 강조했습니다. “생태학자들은 이제 안정성 측면에서 가장 중요한 상호작용 중 일부가 실제로 상대적으로 약한 상호작용이라고 생각합니다.”라고 그녀는 말했습니다. “약하게 상호작용하는 종의 수가 많으면 폭풍 속에서 텐트를 묶는 수많은 텐트 말뚝이 있는 것과 같습니다. 그것은 약간의 혼란을 해소합니다.”

Menge는 크게 동의합니다. 전 세계적으로 종들이 사라지고 있는 가운데, 주요 초점은 개별 종들이 아닌 서식지와 생물 다양성을 보호하는 것이어야 한다고 그는 말했습니다. "만약 이 두 가지 일이 충분한 장소에서 이루어졌다면 종석 종 아이디어가 그다지 중요한지 확신할 수 없습니다."

아마도 하나의 쐐기돌이 나머지 것보다 더 중요할 수도 있습니다. 2016년 사망 당일에 출판된 Paine의 마지막 논문 중 하나에서 그와 생태학자는 보리스 웜스 인간은 “하이퍼키스톤 종” — 다른 핵심노드를 활용하여 심오한 효과를 발휘하는 것입니다.

인간은 우리의 영향을 정량화하기 위해 불가사리처럼 시스템에서 제거될 수 없습니다. 그러나 우리는 효과적인 보존 실천과 정책을 통해 종석을 줄이는 방법을 배울 수 있다고 Salomon은 말했습니다. “우리는 또한 우리 자신을 관리하는 법을 배울 수 있는 능력도 가지고 있습니다.”

이것이 바로 생태학자들이 핵심 종을 계속해서 재정의하고 재검토하는 이유 중 하나입니다. 강력한 상징은 아무데도 사라지지 않지만, 정의가 개선되면 사람들은 그것을 더 잘 적용하는 방법을 배울 수 있습니다.

페인은 이것을 알고 있었습니다. Salomon은 자신의 말을 학생들과 공유하기를 좋아합니다. “무지만으로는 관리할 수 없습니다. 어떤 종이 ​​무엇을 먹고, 누구를 먹으며, 이러한 먹이 종이 어떤 역할을 하는지 알아야 합니다. 이를 알면 현명한 결정을 내릴 수 있습니다.”